（光学工程专业论文）取样积分与光子计数在otdr中的技术研究.pdf

中文摘要 摘要 取样积分是一种专门恢复被噪声覆盖的微弱信号波形的技术。它是将周期性 或可重复信号经过多次取样积累后，使其信噪比有所提高，积分次数越多，信噪 比改善越好。但是积分到了一定数量后，其信噪比改善效果已经不大，而且所花 费时间大大延长。光子计数是一种极微弱光探测的方法，它是利用弱光照射下光 子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术，它和 模拟检测技术相比具有稳定性高、信噪比好等优点。 本文以o t d r 为课题实验平台，在对其关键环节理论进行简要探讨的基础上， 设计和实现了软硬件部分，硬件部分包括：l d 驱动电路、a p d 偏压控制电路、高 压电源电路、放大电路以及数据采集卡的选定，给出了关键参数、波形图。对虚 拟仪器进行了概述，运用l a b v i e w 软件，编制程序，实现了数字b o x c a r 积分 器、光子计数器功能，满足课题设计要求。 本文最后对数字b o x c a r 积分器和光子计数器进行实验比较，从积分次数变 化对信噪比的影响、温度变化对数据采集的影响、采集数据的离散性、定位精度 等方面，得出光子计数技术在这些方面相对取样积分技术较优越的结论。 关键词：o t d r ，取样积分，光子计数，l a b v i e w 英文摘要 a b s t r a c t s a m p l ei n t e g r a li sas p e c i a lt e c h n o l o g yw h i c hi su s e dt or e n e wt h ew e a ks i g n a l w a v e f o r mc o v e r e db yn o i s e rs a m p l e st h ep e r i o d i co rr e p e a t e ds i g n a lr e p e a t e d l yt o i m p r o v et h es i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r ) t h ee f f e c to fs n r i si m p r o v e db yt h ei n t e g r a l n u m b e ri n c r e a s e s b u tt h ee f f e c ti sn o ti m p r o v e do b v i o u s l ya f t e ran u m b e ro fi n t e g r a l t i m e s a n dt h et i m eo f r u n n i n gd e l a y sm u c hm o r e p h o t o nc o u n t i n gi sam e t h o dw h i c hd e t e c t su l t r a w e a kl i g h t i tu s e st h ec h a r a c t e r i s t i c w h e n p h o t o nd e t e c t o re x p o r t st h ed i s c r e t ee l e c t r o n i cs i g n a la f t e rt h ei r r a d i a t i o nb yw e a k l i g h t a n di ti n c l u d e st h et e c h n o l o g yo fp u l s es e c e m i n ga n dd i g i t a lc o u n t i th a sm a n y a d v a n t a g ea b o u tg o o ds t a b i l i t ya n ds n rc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a n te x p l o r a t i o n t e c h n o l o g y t h i sp a p e ru s e st h eo t d ra st h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m a f t e rd i s c u s s i n gt h et h e o r y o f t h ek e yt a c h eb r i e f l y , w ed e s i g na n di m p l e m e n tt h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ew h i c h i n c l u d et h el d d r i v i n gc i r c u i t , t h ea p d b i a sc o n t r o lc i r c u i t ，h i g hv o l t a g ep o w e rc i r c u i t ， a m p l i f y i n gc i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d 。a n dt h e r es h o wt h e i rk e yp a r a m e t e r sa n d w a v e f o r md i a g r a m s w ea l s os u m m a r i z et h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，d e s i g nt h ep r o g r a m m e s w h i c hi n c l u d et h ef u n c t i o no fd i g i t a lb o x c a ri n t e g r a t o ra n dp h o t o nc o u n t e rb yt h e l a b v i e ws o f t w a r e t h c ya r ea l la c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r e a tt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , w ec o m p a r et h ed i g i t a lb o x c a ri n t e g r a t o rw i t ht h e p h o t o nc o u n t e r , b a s e do nt h ee f f e c to fd a t aa c q u i s i t i o nw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，t h e e f f e c to fs n rw i t t ld i f f e r e n t i n t e g r a ln u m b e r , a n dd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c a n d p o s i t i o n i n ga c c u r a c y , a tl a s tw ep o i n to u tp h o t o nc o u n t i n gi sa d v a n t a g e dt h a ns a m p l e i n t e g r a li nt h i sa s p e c t s ， k e yw o r d s ：o t d rs a m p l ei n t e g r a l ，p h o t o nc o u n t i n g ，l a b v i e w j j i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：御年铂。尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：雾- 节 签字日期：印年以月昭 导师虢勿芏 签字日期彳年月驴日 1 绪论 l 绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 取样积分技术 淹没于噪声中的、快速随时问变化的微弱信号的波形恢复，必须在信号出现 的周期内将其随时间分成若干个间隔，间隔的大小取决于恢复信号的精度要求。 然后，对这些时间间隔的信号进行多次测量，并加以平均。某一时间间隔的信号 幅值通过取样方法获得，而信号的平均则可通过积分，或者利用计算机的数据处 理来实现，这种方法称之为“取样积分”与“多点平均”。前者常用于模拟方法， 后者适用于数字处理。 一种专门为恢复被噪声覆盖的微弱信号波形的技术被称为b o x c a r 。早在2 0 世纪5 0 年代初，英国的神经专家d a w s o n 提出了b o x c a r 积分的概念；1 9 5 5 年 h o l c o m b 提出了取样原理；1 9 6 2 年加利福尼亚大学劳伦茨实验室的k l e i n 用电子 技术予以实现，称作b o x c a r 积分器( 或取样积分器) 。它的基本概念是取样和平 均( 积分) 同时进行，随着取样门的移动而将波形慢速恢复并描记出来。b o x c a r 积分器的出现使从噪声中恢复信号这一难题得以成为现实，它有极高分辨率以及 高频信号处理的忧点i l 】。 b o x c a r 积分器对输入的信号，每周期只取样一次，因此取样效率很低，对 低重复频率的信号恢复需要极长的时间。但是b o x c a r 积分器对恢复高重复频率 的快速瞬变过程有着十分理想的分辨率。 随着计算机技术的发展和电子技术的提高，可以对一个周期内不止是取样一 个点，而是多点取样，例如2 5 6 点、1 0 2 4 点，则可充分提高信号波形的利用率。 b o x c a r 积分器只有一个积分器，因此每次取样需要一个周期。但是，如果我们 设置n 个积分器，则每个周期内的信号可以取样n 次，取样效率提高n 倍，这就 是模拟多点平均的思想。多点取样平均弥补了b o x c a r 积分器的不足，它对低重 复频率的信号处理尤为方便。但是由于早期计算机的速度较低，大大限制了多点 平均器重复频率的提高，另外当时a d 电路的速度也使所恢复波形的分辨率受到 限制。 近几年来，计算机技术突飞猛进，其运算能力和速度都得到了极大的提高， 使得采用数字处理技术实现多点平均成为可能。如果用计算机的存储器代替n 个 积分器，由于存储器无限保持时问的优越性，使数字多点平均得到发展并广泛应 用。 鉴于b o x c a r 积分器与数字多点平均各自的优点，目前的发展己将两者融合 重庆大学硕士学位论文 在一起，构成新的时域平均系统，这就是本课题中将涉及到的数字b o x c a r 积分 器，将在第二章对其原理进行介绍。 1 1 2 光子计数技术 光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、 大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射( o t d r ) 、 量子密钥分发系统( q k d ) 等领域有着广泛的应用。由于光子探测器在高技术领 域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。 可用来作为光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管( p m t ) 、雪崩光电 二极管( a p d ) 、增强型光电极管( w d ) 、微通道板( m c p ) 、微球板( m s p ) 和 真空光电二极管( 心d ) 等。 光电倍增管( p m t ) 单光子探测器。光电倍增管单光子探测器主要采用的 是一种逐个记录单光电子产生的脉冲数目的探测技术。这种探测器主要由光电倍 增管、制冷系统、宽带放大器、比较器、计数器组成。光电倍增管是整个系统的 基础，单光子经过光电倍增管，把光子转换为电信号。在这一过程中，要避免噪 声把有用信号湮没。光电倍增管性能的好坏直接决定了单光子探测器性能的好坏， 因此选择合适的光电倍增管是非常关键的。单光子探测需要的光电倍增管要求增 益高、暗电流小、噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下降时间。 p m t 具有高的增益( 1 0 4 l o7 ) 、大光敏面积、低噪声等效功率( n e p ) 等优 点，但是它体积庞大、量子效率低下、反向偏压高、仅能够工作在u v 和可见光谱 范围内，抗外部磁场能力较差。 雪崩光电二极管( a p d ) 单光子探测器。对于可见光探测，光电倍增管有 很好的响应度，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成 熟，市场上也有了不少类似的产品。然而随着人们对红外光研究的不断深入，特 别是近年来量子通信技术、量子密码技术的研究不断引起各国的重视，对红外通 信波段( 8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 r i m ) 单光子探测器的研究也就显得尤为迫切。然 而，在这个波段光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极- - s i 阴极， 光谱响应到1 0 5 0 r i m 就已经截止了，仅这一点就排除了它在红外通信波段的应用。 即便在8 5 0 n m 波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维护的复杂程度， 在实际应用中人们还是选用s i a p d 雪崩光电二极管。现在对s i 的研究已经趋 于成熟，s i - - a p d 也已经有了比较好的制造工艺。国外一些半导体公司( 如美国 的e g & g 公司) 已经有产品在出售。在国外，光通信三个波段( 即8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m ) 的单光子探测器用于量子密钥系统已经有了相关的报道。在国内，中 科院物理所与中国科大( 北京) 研究生院合作，成功地制作了8 5 0 n m 波长的单光 子探测器，并在8 5 0 n m 的单模光纤中完成了1 1 k m 的量子密码通信演示性实验。 2 1 绪论 而在1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 r i m 波段，s i a p d 已经不能用于进行单光子探测了，因此 在这两个波段一般选用i n g a a s - - a p d 。 在单光子探测中，a p d 一般是工作在所谓的”盖革模式”下。在这种模式下， 雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩击穿电压。当有光子信号到达a p d 时，被 a p d 吸收，并使a p d 迅速雪崩。为了能够对下一个光子信号产生响应，需要采 取一定的抑制电路，使雪崩发生后迅速地被切断，并使a p d 恢复到接收光子的状 态。通常采取的方式有：无源抑制电路、有源抑制电路、门模电路。无源抑制通 过串联一个大电阻，有源抑制通过一个外围控制电路，使光子在a p d 产生雪崩的 同时，控制器及时抑制雪崩以便于探测下一个光子；而门模控制是只有当光子到 达a p d 后，偏压才提高到雪崩电压之上，产生的雪崩持续时间约几个n s ( 相当一 个门打开) ，之后一段时间，偏压又低于雪崩电压( 相当一个门关闭) 而终止雪崩， 等待下一个光子再循环往复地探测。 a p d 单光予计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作 电压较低等优点，但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制冷电路 较复杂等缺点1 2 j 。 真空雪崩光电二极管( v a p d ) 单光子探测器。v a p d 单光子探测器是一种 p m t 和a p d 相结合的产物，具有许多p m t 和a p d 无法比拟的优点。其主要特点有： 低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。这 种单光子探测器的出现，对人们探索高技术领域将起到积极的推动作用1 3 j 。 1 1 3o t d r 技术 光时域反射计( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ，o t d r ) 是表征光纤传输特 性的测量仪器。它不但省时、测量方便，而且具有非破坏性，因而广泛地应用于 光纤、光缆的生产、现场铺设中，是光纤与光通信技术中必不可少的测量仪器。 o t d r 是以瑞利背向散射理论为基础，用以测量光纤链路传输特性的测试仪 裂4 1 。背向散射理论由b a m o s k i 和j e n s e n 于1 9 7 5 年首次提出【5 1 。1 9 7 6 年p e r s o n i k 对背向散射技术作了进一步的研究与发展，并通过各种实验数据，建立了多模光 纤的瑞利背向散射功率方程【6 】。1 9 8 0 年b r i n k m e y e r 将背向散射技术应用于单模光 纤，推导出同样的关系，论证了背向散射功率方程不仅适用于多模光纤，也适用 于单模光纤 7 1 。1 9 8 4 年h h a r t o g 和m a r t i np g o l d 进一步从理论上对单模光纤的背 向散射理论进行了阐述，分析了背向散射系数与光纤结构参数的关系捧】。 随着光纤与光通信技术的发展，o t d r 经历了由短波长( 8 5 0 n m ) 的多模光纤到 长波长( 1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m ) 的单模光纤这一发展过程。目前为适应光纤通信系统无 中继距离的增加，密集波分复用光传输系统的实用化，国内外的o t d r 都向着高 性能( 大动态范围、高分辨率) 、新波长( 1 6 0 0 n m 带) 、新结构形式( 总线型、便携式) 重庆大学硕士学位论文 等方向发展。 单模光纤的背向散射光功率要比多模光纤的背向散射光功率低1 0 1 5 d b ，而 且长波长探测器的灵敏度要比短波长的低。随着光纤通信系统的中继距离不断增 加，只有增加o t d r 的动态范围，才能满足日益发展的单模光纤通信系统的需要。 增大动态范围通常采用两种方法来实现：( 1 ) 增大入纤光功率；( 2 ) 提高探测器的灵 敏度。 方法( 1 ) 常采用各种类型的大功率激光器来提高入纤光功率。早期使用如n d ： y a g 激光器和e r 3 + ：玻璃激光器，据报导g o l d 和h a r t o g 使用n d ：y a g 激光器， 最大动态范围为4 1 d b 9 】；n a k a x a w a 和t o k u d a 使用e ，：玻璃激光器，其动态范 围为3 4 d b 。使用这一类激光器，其主要的缺点是激光器的体积大，有的需要液 氮冷却，不适合现场应用。近几年，随着半导体激光器的发展，特别是面向o t d r 的半导体脉冲激光器( 连续功率5 0 8 0 m w ，峰值功率可达5 0 0 m v o 的出现，因此在 成熟的o t d r 产品中均采用半导体激光器作为光源，并采用一定的探测后信号处 理技术如数字平均、数字滤波等，目前已有动态范围达4 5 d b 的产品出现。 提高光探测器的灵敏度是增加o t d r 动态范围的另一种有效方法。目前普遍 采用的是直接探测，加上探测后信号处理的方法，通过探测后信号处理改善探测 器的接收灵敏度。通常使用低噪声探测器、低通滤波器和数字平均处理器，通过 降低探测器的暗电流和抑制系统噪声来提高探测器的信噪比，从而提高整个系统 的动态范围。 随着光纤区域网和分布式光纤传感器的发展，要求o t d r 具有极高的分辨率。 为提高o t d r 的空间分辨率，主要有三种方法来实现：窄脉冲探测；非线性探测； 低相干干涉测量。据报道窄脉冲( c = 4 6 p s ) 空间分辨率达到5 m m t 】。f o n t a i n 使用亚 皮秒的窄脉冲和3 0 0 w 锁模激光器，通过非线性探测获得1 5 1 a n 的空间分辨率【l 2 1 。 d a n i e l s o n 和w h i a e n b e r g 使用低相干光源进行干涉测量，相干长度分别为5 0 n m 和 1 3 0 n m 时，空间分辨率达到3 8 0 肛m 和1 岬【l2 1 。o t d r 通常是峰值功率受限系统， 为提高动态范围常需要增大脉冲宽度，但同时又会降低分辨率，使用相关技术可 得到较为理想的结果。目前相关o t d r 技术也取得了一定的进展【1 3 】 1 6 1 。 由于密集波分复用技术的日益成熟，并逐渐商用化，在建立在线监测系统时 为了不占用通信用的1 5 5 0 n m 带的波长资源，最好是使用1 6 0 0 n m 带的波长资源。 国外开始了对1 6 0 0 r i m 带的o t d r 技术研究【1 7 】 1 9 1 ，并有相应的产品出现。1 6 0 0 n m 带的光在光纤中传输损耗更大，要获得高性能的o t d r 的主要问题集中在如何产 生1 6 0 0 n m 带的高功率光源。1 9 9 8 年，t o s h i y as a t o 使用可调谐的拉曼光纤激光器 获得2 2 5 d b 的动态范围【1 9 】。 总之，高稳定、高精度是o t d r 性能的发展方向。提高o t d r 与计算机数据 4 1 绪论 交换和即时响应能力，满足在线监测系统和光通信技术的发展需要，变得日益迫 切。 1 2 课题的意义 随着光纤网络的快速发展和普及，网络的复杂性日益提高，光纤物理网络的 管理、维护工作愈加繁重。所以，及时有效地预防和减少光纤网络隐患、障碍， 减少线路问题造成的巨大损失，建立快速响应的光纤故障管理体系，这些问题就 显得非常重要。在各国电信部门推出的网络监测方案中，无一例外地都使用了 o t d r 系统对光纤的衰减进行监测，及时发现故障并进行定位。 在2 0 0 1 年发生的中美海底光缆阻断事件，一度使得亚洲和北美的网络通信处 于瘫痪的状态，造成了巨大的经济损失。工程师们利用高分辨率o t d r 准确定位 故障点，在最快的时间内修复故障，以使损失减d , n 最低。这更加说明了o t d r 在光纤监控应用中的重要性。 o t d r 技术还被用于光纤的微弯检测以及光纤的应力检测中。当光纤受n $ 1 - 力影响发生微弯时，返回的瑞利背向散射光强会发生衰减，此时利用o t d r 测出 的损耗特性曲线上将出现一个向下的台阶，此损耗台阶的大小直接反映了光纤所 受外界物理量的大小，因此它也被人们用在大坝的安全监测中。将光纤埋入混凝 土中，当大坝的裂缝与之相交时，就会引起光纤的微弯或挠曲，致使光纤的损耗 增大，利用o t d r 可以准确地反映出此处的损耗变化并加以定位，起到对大坝安 全的实时监测作用。 目前，我国的工程师将结合o t d r 技术和光纤传感技术的分布式光纤监测系 统，先后应用在长江葛洲坝工程、长江三峡工程等工程中，进行工程安全监测的 现场实验和应用研究。例如在三峡工程左厂1 4 坝段大体积常态混凝土的温度检测 中，利用分布式光纤监测系统实现了常态大体积混凝土浇筑施工过程温度场的实 时监测，快捷、准确地检测到坝体混凝土结构内部温度场的变化。这对于大坝的 健康诊断和安全运行是十分有利的。 不难看出，无论是通信领域还是传感领域，o t d r 的应用都是非常普及和重 要的，那么实现其对光纤光缆的快速测量和故障准确定位，对光纤系统的研究、 使用和维护起着至关重要的作用【2 0 】。 o t d r 中的背向散射信号一般很弱，即使是最强的瑞利散射光也比入射光功 率低几十个d b 。要从噪声中把所需的信号检测出来，目前主要采用取样积分技术 来降低噪声，改善信噪比。但是其存在着如下不足： 从理论上分析，增加积分次数，可以不断提高s n r ，从而达到增加动态范 围的目的。但实际上平均一定次数之后，由于系统固有噪声的影响，改善s n r 的 5 重庆大学硕士学位论文 效果已经不大，而且积分所花费的时间大大延长，已经不适合实际测试的需要。 环境温度的变化会使半导体激光器驱动电源的输出电压不稳定，引起激光 器的输出功率起伏，同时激光器波长和功率也会发生漂移；放大器的增益也会因 为温度的变化而改变，从而引起信号电平的变化；雪崩光电二极管的温度效应也 使信号电平随温度的升高而下降，随温度降低而上升，从而导致采集信号的不稳 定。在实际工作环境中，精确保持温度的稳定性也是比较困难的，其电路也比较 复杂，成本高。 光子计数是一种极微弱光探测的方法。它所探测的光产生的光电流强度比光 电检测器本身在室温下的热噪声水平还要低，用通常的直流检测方法不能把这种 淹没在噪声中的信号提取出来。光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电 信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术，它和模拟检测技术相 比有如下优点【2 1 】： 测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响 较小，可大大提高o t d r 的稳定性。 消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比； 输出数字量，可直接与计算机连接，构成自动测试与数据处理系统，从而 实现最佳测试。 在本文中，采用o t d r 系统作为实验平台，运用取样积分技术和光子计数技 术进行信号处理，比较实验结果，指出光子计数技术存在优势的方面，对实际产 品设计具有指导意义。 1 3 本文的主要内容 简述了课题研究的背景，分析了现有o t d r 信号处理所存在的不足，阐明 了课题的意义。 介绍o t d r 的原理、重要概念，并对系统中关键部件的原理、重要参数进 行了说明，设计了课题实验平台，给出了o t d r 各个硬件部分的设计思想、关键 器件介绍、电路图、实际数据或波形图。 简述虚拟仪器及虚拟仪器开发平台l a b v i e w 。针对课题需要，给出了调用 动态链接库的详细讲解，编制了数字b o x c a r 积分器和光子计数器程序。 利用所构建的软硬件平台，对采用取样积分方式和光子计数方式的实验结 果进行比较，指出了光子计数器比数字b o x c a r 积分器优越的方面，验证了理论 推断。 6 2 课题关键技术概述 2 课题关键技术概述 2 1 课题总体设计 本课题是关于取样积分和光子计数在o t d r 中的技术研究，其总体设计框图 如图2 1 所示。 图2 1 总体设计框图 f i 9 2 1t h eo v e r a l ld e s i g nd i a g r a m 其硬件部分主要由计算机系统、数据采集卡、激光脉冲驱动电路、放大器、 a p d 及偏压控制电路、高压电源等部分组成；软件为在l a b v i e w 环境下编制的取 样积分、光子计数程序。 本课题中，由l a b v i e w 程序控制数据采集卡，触发l d 脉冲驱动电路，使l d 产生激光脉冲并经光耦合器注入被测光纤，光纤沿线各点返回的背向瑞利散射光 及菲涅尔反射光经过光祸合器由雪崩光电二极管( a p d ) 接收，a p d 将光信号变成电 信号，再经过放大，最后由数据采集卡转换成数字信号，输入计算机系统，读取 7 重庆大学硕士学位论文 此数字信号并经编制程序计算、分析，进而在显示器上显示出测试波形和数据结 果。 下面将对课题中各个关键部分的原理及重要性质、参数进行介绍，为软硬件 ，具体设计作好准备。 2 2 取样积分 2 2 1 引言 对于淹没于噪声中的、随时间快速变化的微弱信号的波形恢复，必须在信号 出现的周期内将时间分成若干个间隔，时间间隔的大小取决于要求恢复信号的精 度。然后，对这些时间间隔的信号进行多次测量，并加以平均。某一时间间隔的 信号幅值通过取样方法获得，而信号的平均则可通过积分，或者利用计算机的数 据处理来实现，这种方法称之为“取样积分”与“多点平均”。前者常用于模拟方 式，后者适用于数字处理。 以同步相关检测原理为基础的时域信号平均技术，能将待测的重复信号逐点 多次取样进行同步积累，从而从噪声中恢复信号波形。它分为单点信号平均器和 多点信号平均器。本课题中，o t d r 要求实时测量，因此对信号处理系统的响应 时间要求较高，故下面只讨论多点信号平均器。 2 2 2 基本原理 多点信号平均器采用实时取样，多次对信号进行多点取样和平均，降低以至 消除噪声的影响，提高信噪比，从而能够从强噪声背景中恢复整个被测信号的波 形。它在信号的一个周期内要取样多点，并一一对应地存储在相应的存储器内进 行累积和平均，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用【2 2 1 。 通常多点信号平均器分模拟式和数字式两种，模拟式多点平均器所用的存储 器是电容，而数字式多点信号平均器所用的存储器是数字存储器。 与模拟技术相比，数字式多点信号平均器有如下优点：组件的工作节拍由晶 振同步，其稳定度远高于模拟的r c 定时网络；空间分辨率和定位精度不超过2 个时钟周期，即误差有限且可估计【2 ”。 因此，本课题设计采用了数字式多点平均，即数字b o x c a r 积分器。下面， 我们讨论数字b o x c a r 积分器中，信号与噪声的混合信号经过取样变换后信噪比 的改善情况，如图2 2 所示。 图( a ) 是周期信号与噪声的混合信号，即f = j + n ；图( b ) 是取样脉冲，图( c ) 是 周期信号的同步脉冲，每一周期内共取样l ，2 3 次。图( d ) 是周期信号与噪声信号 组成的混合信号，经过多次取样后的平均情况。圆点表示样品的积累情况。 2 课题关键技术概述 m lj 吐- 血叫唧呲l 衄唧删删刚岫叫明忸m 惆叫咖舢岫i 衄i 岣l m 喝咖0 期眦叫叫衄眦叫t 弼步信号 【qe = ! ：dif iii t 样品稿累 唧盆簟坠鱼m 图2 2 数字b o x c a r 积分器的信号平均过程 e i 9 2 2t h es i g n a la v e r a g ep r o c e s so f d i g i t a lb o x c a ri n t e g r a t o r 若m = l ，即第一次扫描的取样，未作平均，各取样的瞬时值均显示于图( d ) ， 第二次扫描后，则将两次相同点的取样瞬时值相加并除以2 ，依次类推。在图( d ) 中可以明显看出，在第八次积累时，样品叠加结果基本上都落在周期信号的轨迹 位置上了。 为方便起见，以线性平均考虑。设有用信号与噪声所组成的混合信号为 f ( o = 正( f ) + h ( f ) ( 2 1 ) 式中z ( f ) 为周期信号，玎( f ) 为噪声信号。如果以“为起点，每隔丁秒取样一次，则 第f 次的样品应该是 厂( “+ i t ) = z ( “+ f d + n ( t i4 - i t ) ( 2 2 ) 式中i 为取样序号。 对于周期信号来说，由于是在同步状态下进行取样， 为t 。= 0 ，这样一来，就有 f ( t t + i t ) = z ( f r ) 因此对每个起点可以认 ( 2 3 ) 经过研次的重复取样后，第i 个样品的积累值为 mm 厂( “+ f r ) = f a i r ) + n ( t i + f r ) ( 2 4 ) t = lk - - ii = 1 经过m 次积累的周期信号为 f ( t ) = m r , ( a o i = 1 9 ( 2 5 ) 重庆大学硕士学位论文 经过m 次积累的噪声为 以( f 。+ i t ) = 厮而( 2 6 ) 式中，l ( f ) 为噪声有效平均值。 因此，经过历次积累的信噪比为： s n r 。= ( 扣器= 厮等= 肌舡( 2 7 ) 经过m 次积累后的信噪改善比为 删卜瓣：硅：石 舢m i m ( 导) 。 一 上式说明了经过m 次取样积分后，信噪比有所改善，它与重复积累次数的平 方根成正比。换言之，周期性或可重复信号经过多次取样积累后，其信噪比有所 提高，积累次数越多，信噪比改善越好。如果将取样次数适当增加，就可以从强 噪声的背景中提取极其微弱的信号。 2 2 3 时域平均的频域描述 现在从频域或滤波的角度来研究多点平均器的噪声抑制问题，为此需要求出 多点平均器的传递函数h ( j w ) 。 在多点平均器中，触发脉冲起着同步信号的作用。每触发一次。扫描一次， 各点取样一次并在相应点叠加。在时域中，可以将取样函数视为由一系列冲击函 数组成，即 = 6 ( 0 + 3 ( t - t ) + 6 ( t - 2 t ) + + 6 【f 一咖一1 ) t + 5 ( t - m t ) = 占( f 一忉 ( 2 9 ) 根据拉普拉斯变换有 f 8 ( t 一) 】= f 6 ( t n t o ) e - t o o 出= e 删 ( 2 1 0 ) 因此，( 2 9 ) 式的拉氏变换 h ( j w ) = 1 + p 一1 a t + p - 2 订+ + p 一”一1 讲 ( 2 1 1 ) 两边乘以l l p 埘i ，则有 h ( j w ) 1 - e - j o t j = 1 - e 一加田 ( 2 1 2 ) 所以h ( j m ) = ! 二- - ! e 竺- j 。r ( 2 1 3 ) 根据欧拉公式，则传递函数 1 0 2 课题关键技术概述 日( ，纠：s i n ( m o o t 2 ) e - j 半 s i n ( c o t 2 l 其频率特性的模 卅日( 妫= s i n ( m 羽o g t 2 2 ) ) 1 l 式中，t 为触发取样脉冲的基波周期。根据极限 则 或当c o t 为2 ，r 的整数倍时 l i m s m m x = m j - + os i n n x n p ( o ) i _ m ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) f 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 1 日( ，) i 。= 辨 ( 2 1 8 ) 图2 3 表示对应于( 2 1 5 ) 式的几个m 值的归一化传递特性。 a 村_ 幻仉 晓 曩 a 孤 j m k 亩矗n f 翻 ) ，- 。j j # i t k - 舢t ，： 图2 3 多点平均器的梳状滤波归一化特性 f i g2 - 3t h ec o n s i s t e n c yo f m u l t i p o i n ta v e r a g e r sc o m bf i l t e r 由上国可知，它具有梳状滤波器特性，每个“齿”为一个带通滤波器，其中心位 l 口n o n o 旺 l 和 重庆大学硕士学位论文 置在扫描一触发频率的谐波n t 处( 非周期触发时，梳状滤波器概念就失去意义) 。 当m 值增加时，滤波器带宽缩小，而峰值增高。 多点平均器对不相干信号的抑制能力，以及对白噪声的过滤作用，可以从图 2 3 所示的特性看出。定量的计算可以用等效噪声带宽来度量。由等效噪声带宽的 定义可知 蛎2 赤f 日2 矿= 矛if 日( 计 9 ) 由图2 3 所知，h ( c o ) 是以取样脉冲基波周期及各次谐波为中心的梳状滤波器。 每周期内的滤波特性是相同的，因此，积分限在( 0 o o ) 内不可积。所以先求0 l 丁 范围内的蛎。 a “。= 击h ( ) 2 ( 2 2 0 ) 把( 2 1 5 ) 式代入( 2 2 0 ) 式得 蛎，m 1 ：m 声r 旧f s i n ( m ( 羽c o t 2 ) 2 ) j 2 矽 ( 2 2 1 ) 式中，r 为取样脉冲基波周期；m 为累加次数 而 c o = 2 矿 ( 2 2 2 ) 令f = ( 1 刀) x ，则x = 刀2 。且当f ：0 一l r 时，则石为0 专石。因此 蛎- 2 嘉r l 詈f 咖 ( 2 2 ，) 考虑到下列关系 _ s i n ( 2 m - 1 ) x ：士【s i n ( 2 月，一1 ) x s i n ( 2 珊一3 ) x + s i n ( 2 小一3 ) x s i n ( 2 m 一5 ) x + s i n ( 2 m 一5 ) x + s i n 3 x 又因 由上两式可得 一$ 1 n x + s i n x 】 = 2 b s ( 2 m - 2 ) x + c o s ( 2 m 一4 ) 工+ + c o s 2 x + l = 1 + 2 c o s ( 2 i x ) ( 2 2 4 ) j = i s i n 2 船 1 一c o s ( 2 n x l s i n x2 s i n 工 1 = 1 一c o s 2 x + c o s 2 x c o s 4 x + c o s 4 x 一 z s m z e o s 2 ( n 1 ) x + c o s 2 ( n - 1 ) x - c o s 2 n x 】 = s i n ( 2 m - 1 ) x m = l 2 课题关键技术概述 瞄= 2 刍”_ s i n ( 2 f m - 1 ) x = 扯z 和z 扛， 由于传递函数在o 卅2 与州2 万是对称的，所以 f 势= f 耋警 = 耋f l l + 2 艺c o s ( 2 动b = 吗 ( 2 2 7 ) 又因0 1 厅的一个基波周期内积分 一s i n n x 。 2 凼= f 2 警s i n n x 卜i 。1 2 一以詈 把m 代换胛，并代入( 2 2 3 ) 式 蛳。= _ l n - t i n 2 一s i n m x 卜去 对( 2 2 9 ) 式进行分析，可知： a 厂l 为多点平均器梳状滤波器特性的一个“齿”的等效噪声带宽。由式( 2 2 9 ) 可知，在取样速率一定时，“。与累加次数m 成反比。在m 值很大时，可获得极 窄的等效噪声带宽，因此噪声滤除效果最佳。 当信号的最高次谐波频率或前置放大器输入带宽玩为厶时，在厶内所包 含的谐波数为k = 厶t - - 厶i ，则在0 厶的频带内总等效输出噪声带宽为 蛎= k 蛎。= 厶r 七= 厶加 ( 2 3 0 ) 可见，总等效噪声带宽与厶成正比。因此，在信号频率厶一定时，在保证信 号不失真的情况下，应尽量减小信号通道的带宽。 信噪改善比 由上述分析可知，输出信号信噪改善比 s n i r = 厩= 压= 厄 上式为多点平均器线性累加时，信噪改善比的关系式，它与( 2 8 ) 式一致从上 式可知，随着累加次数m 的增加，等效噪声带宽线性减小，同时信噪改善比以历 方式增加。 由( 2 1 5 ) 式还可求出一3 d b 处的信号带宽。 令 (a,)-isin(mcot22)i=万msln(fi)l 2 ( 2 3 1 ) jz ii 由于( 2 3 1 ) 式是超越函数，设葺= & , r 2 ，肌= 1 0 0 0 ，代人( 2 3 1 ) 式，可用 重庆大学硕士学位论文 逼近法求得 m ：罢：0 4 4 f 3 0 8 ( 2 3 2 ) m 7 f -m ( 2 3 2 ) 式为梳状滤波器一个“齿”的单边带宽，但每个“齿”是一个中心对称的 带通滤波器，所以 b 3 ：2 颤：0 8 8 6 _ 1 6( 2 3 3 ) 上式表明：当m 值增加时，一3 d b 处带宽b 3 a b 也将线性减窄2 2 1 。 从上述分析可知，在多点平均器中，为了获得好的信噪比，可采取大量累加 采集次数的办法，这在检测高频信号时更为实用。如触发脉冲周期为1 何= l o o h z ， 坍= 1 0 5 时，则总的测量时间是：m t = 1 0 5x 1 0 = 1 0 3 j 。这时一个“齿”的信号带宽 为：b 3 = 8 8 6 1 6 x 1 0 _ 4 h z ；等效噪声带宽蛎1 = 1 r o t = 1 0 4 h z ；信噪改善比为 3 1 6 倍( 5 0 d b ) 。 从上述结果看出，通过多次平均后梳状滤波器的每个“齿”可以得到很窄的通 带。同时，每个谐波点的带宽相同，且峰值皆为m 。这一结果表明，只要触发扫 描速度与被测信号同步，则多点平均器就能把信号的每个高次谐波不失真地从噪 声中提取出来，使其输出波形保存了原信号的各次谐波，从而使输出信号不失真。 由于带宽极窄，故对噪声有很强的抑制能力。这进一步说明，多点平均器是从噪 声中提取弱信号的有力工具。 2 3 光子计数 2 3 1 引言 光子计数技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、 大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射( o t d r ) 、量 子密钥分发系统( q k d ) 等领域有着广泛的应用。由于光子计数技术在高技术领域的 重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。 2 3 2 基本原理 光子计数方法是利用弱光照射下某些光子探测器输出的电信号自然离散化的 特征，采用了脉冲甄别技术的一种方法。它的最主要优点是通过分立光子产生电 脉冲来测定光量，因此系统的灵敏度高，抗噪声能力耐2 4 1 。 入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产 生电脉冲信号，称为单光子脉冲。计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小 的分布如图2 4 所示。 1 4 2 课题关键技术概述 v h ( 甄别电平) 脉冲幅度 图2 4 脉冲计数率随脉冲幅度大小的分布 f i 9 2 4t h ed i s t r i b u t i o no f p u l s ec o u n t i n gr a t ew i t ht h ep u l s ea m p l i t u d e 图2 5 典型光子计数器原理图 f i 9 2 5t h ep r i n c i p a ls c h e m eo f p h o t o nc o u n t e r 幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声，脉冲幅度较大的是单光 电子峰，v h 为甄别电平，用它来把高于v h 的脉冲鉴别输出，实现光子